JP3887944B2 - アクティブフイルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、系統に連系する電力変換器、特に高調波電流を補償するアクティブフィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示すように、アクティブフイルタ（ＡＦ）１は電力系統ＰＳに接続することによって、接続点（補償点）ａより上位側に流出する負荷Ｌの高調波電流成分を削減する装置である。ＡＦ１が無い場合は、図７のように、負荷の高調波電流成分が上位側電力系統ＰＳに流れる。
【０００３】
ＡＦ１は半導体電力変換器２，制御装置３，フイルタＦ１などからなり、電流センサＣＴ_Lで検出した負荷電流を取り入れて、負荷Ｌの高調波電流成分を上位電力系統ＰＳの代わりに受け持つような動作をする。
【０００４】
一般的なＡＦの制御系は図８に示すように構成されている。１１〜１５は補償電流検出系、２１〜２５は電流制御系である。まず、電流センサＣＴ_L（図６）で検出した補償点のＵ，Ｗ相負荷電流を座標変換系１１によりｄ，ｑ軸負荷電流に変換し、ハイパスフイルタ１２，１３で、ｄ，ｑ軸負荷電流の高調波成分（ｄ，ｑ軸負荷高調波電流）を検出しｄ軸電流指令とすると共に、半導体電力変換器２の直流側電圧を制御する直流側電圧制御系１４で直流側電圧の指令値と検出値との偏差をＰＩ演算し、加算器１５で上記ｑ軸負荷高調波電流に加算した電流をｑ軸電流指令とする。
【０００５】
一方、電流センサＣＴ１（図６）で検出した半導体電力変換器２のＵ，Ｗ相出力電流を座標変換系２１によりｄ，ｑ軸電流に変換し、ｄ，ｑ軸変換器電流（検出値）とする。
【０００６】
そして、瞬時電流制御系２２で上記ｄ軸電流指令とｄ軸変換器電流との偏差をＰＩ演算してｄ軸電圧指令値を得ると共に、瞬時電流制御系２３で上記ｑ軸電流指令とｑ軸変換器電流との偏差をＰＩ演算してｑ軸電圧指令値を得、このｄ，ｑ軸電圧指令を座標変換系２４で２相−３相変換して３相電圧指令値とし、ＰＷＭ電圧制御系２５を介して半導体電力変換器２をＰＷＭ制御している。
【０００７】
上記制御により、電力系統ＰＳから負荷Ｌに流れる高調波電流成分をＡＦ１から出力するようにＡＦ１の出力電圧が制御され、ＡＦ１は補償点ａの高調波電流を打ち消す電流を出力する電流源として振る舞うことになり、結果として接続点ａより上位側の電力系統へ高調波電流が流れないようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電流制御系が理想状態であればＡＦはどの周波数でも指令通りの電流を出力できるが、実際には電流センサの遅れ、制御系の演算遅れ、ＡＦを構成する半導体電力変換器のスイッチング周波数の限界などの影響があり、電流制御ゲインを無制限に高めることができない。このため、電流制御が可能な周波数には限界がある。よって、ＡＦが効果を発揮する周波数は、電流制御系の周波数によって制限される。
【０００９】
この発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、通常の制御では補償できない高い周波数成分の高調波電流を制御することができるアクティブフイルタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
アクティブフイルタ（ＡＦ）の補償対象となる高調波電流については、過去の電流波形を利用するようにし、電流指令値として電流制御系に与える際に位相を進めておく。
【００１１】
一般に、高調波電流は電力系統周波数の整数倍の周波数を持つが、高調波電流成分の変化速度はゆっくりとしている場合が多い。よって、補償すべき高調波電流波形と、１周期過去、あるいは２周期過去の補償対象となる負荷高調波電流波形は図５のようにほとんど同じ波形になる。
【００１２】
この特性を利用して、補償対象高調波電流が数周期過去の波形と同じであると仮定してしまい、制御系の遅れの時間だけ位相を進めて電流制御系に対する電流指令値とすれば、補償電流検出系がフィードフォワード的に動作するため、電流制御系の遅れはフィードフォワードによって解消することができる。
【００１３】
ＡＦにおける補償対象となる高調波電流を検出する部分、電流制御を行う部分については従来のものと同じである。ただし、検出した高調波電流をそのまま電流指令値にするのではなく、１周期過去のデータの位相を進めたもの、すなわち、（１−α）周期過去のデータを電流指令値とする（１＞α＞０）。
【００１４】
電流波形については系統と同期して回転する回転座標系上の値の交流成分を利用する。これによって、ＡＦを構成する半導体電力変換器の直流側電圧制御に影響を与えることがなくなる。また、逆相成分が２次高調波として現れるために逆相成分についても効果が得られる。
【００１５】
補償対象が全く同一である場合には、０．８周期過去のデータは、０．２周期未来のデータと同一であり、フィードフォワード制御が可能である。よって、αの値を制御系の遅れに対応するような値に設定してやればよい。
【００１６】
過去のデータを保存しておく必要性から、１周期分の高調波電流波形のリングバッファを用いる。補償電流検出系は、リングバッファに補償電流を書き込んでいく。電流制御系は、（１−α）周期過去、つまりリングバッファ上でα周期位相を進めたポインタの電流波形を電流指令値とする。なお、リングバッファは初期状態は０で初期化する。
【００１７】
電流制御系は、補償周波数が存在する周波数において電流出力ゲイン１を越えないように制御ゲインを設定する。これは、電流出力ゲインが１を越えてしまうと過度の補償を行うことになってしまうためである。
【００１８】
しかし、ＡＦの制御系においては電流制御フィードバックループ内部に無駄時間が存在するため、すべての周波数領域において電流出力ゲインを１以下に押えようとすると制御ゲインをかなり下げる必要があり、高い周波数の制御が行えなくなる場合が多い。
【００１９】
この点を考慮し、リングバッファの前段に電流出力ゲイン調整用アンプを設け、そのゲインＫｈの値を１より小さくするすることによって電流指令値の振幅を多少小さくしておく。
【００２０】
この場合、制御ゲインをある程度上げておき、電流出力ゲインが１を越えてしまう部分について着目して最大の電流出力ゲインの値で指令値を割っておけば（図３）、電流出力ゲインが１を越える周波数領域においても、本来の指令値の範囲に抑えることができる。
【００２１】
なお、上記（１−α）周期過去のデータで制御を行うと、１周期毎に波形が異なる負荷などに対しては全く効果が無くなってしまう。その場合は、リングバッファの長さを長くしてやり、通常（１−α）周期過去のデータを用いるのを、（ｎ−α）周期過去のデータを用いるようにしてやることによって解決できる（ｎは２以上の自然数）。
【００２２】
波形が３周期で一巡する場合はｎ＝３，４周期で一巡する場合がｎ＝４という具合に設定する。このｎの値を設定するために、リングバッファを十分長くしておき、ｎの間についてフィードフォワードの効果を常に計算して効果が最大となるｎを選択するという制御も可能である。
【００２３】
その場合、補償電流検出系が補償電流を書き込む際に、それぞれのｎの値についてのｎ周期前の電流との違いの絶対値を検出し、ローパスフイルタをかけた値を評価していく。
【００２４】
この結果、図４のように補償電流が電力系統周波数３周期で一巡するような場合、ｎ＝１，ｎ＝２，ｎ＝４，ｎ＝５では誤差が大きくなるが、ｎ＝３では小さくなり、ｎの値として３を利用すべきであるということが判断できる。
【００２５】
なお、リングバッファの長さの範囲で、妥当な補償効果が得られない場合（波形が１０周期で一巡するのにリングバッファが８周期分しかないようなケース）については、１から８までのどのｎについても誤差が大きくなる。
【００２６】
このような場合には（ｎ−α）周期過去のデータを用いた制御による補償をあきらめ、一般的なＡＦの制御方法にする必要があるが、実際にはこのようなケースは滅多に生じないため、実用上は問題にならない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１にアクティブフイルタ（ＡＦ）の制御系を示す。なお、従来図８に示したものと同一構成部分は、同一符号を付してその重複する説明を省略する。
【００２８】
図１において、１１〜１７は補償電流検出系、２１〜２４は電流制御系である。１６，１７はゲインＫｈの値が１より小さく設定された電流出力ゲイン調整用アンプで、アンプ１６はハイパスフイルタ１２で抽出したｄ軸負荷高調波電流（ｄ軸電流指令）を増幅し、アンプ１７は加算器１５から出力される、ハイパスフイルタ１３で抽出したｑ軸負荷高調波電流と直流側電圧制御系１４からの電流指令を加算したｑ軸電流指令を増幅する。
【００２９】
１８，１９はアンプ１６，１７に接続されたリングバッファで、それぞれ図２に示すように、常時電力系統１周期分の過去の電流指令データが書き込まれ、１周期過去のデータの位相をα進めた位置で読み出した（１−α）周期過去のデータを電流指令値として瞬時電流制御系２２，２３に出力する（１＞α＞０）。 その他の構成は従来図８に示したものと変わりがない。
【００３０】
以上のように構成されているので、ハイパスフイルタ１２から出力されるｄ軸電流指令はアンプ１６でゲインＫｈ倍された後リングバッファ１８で（１−α）周期過去のｄ軸電流指令とされ瞬時電流制御系２２に入る。また、加算器１５から出力されるｑ軸電流指令はアンプ１７でゲインＫｈ倍された後リングバッファ１９で（１−α）周期過去のｑ軸電流指令とされ瞬時電流制御系２３に入る。
【００３１】
通常補償すべき高調波電流波形と電力系統周波数の１周期過去又は２周期過去の補償対象となる負荷高調波電流波形は殆ど同じ波形である。上記（１−α）周期過去のデータを電流指令値とすることはα周期未来の電流指令値と同一ということになり、補償電流検出系がフィードファード的に動作する。
【００３２】
したがって、電流制御系の遅れがαの場合、上記（１−α）周期過去の電流指令を用いることにより制御遅れがなくなり、高次高調波の補償が可能となる。
【００３３】
また、制御ゲインをある程度上げておき、アンプ１６，１７のゲインＫｈを図３に示すように最大の電流出力ゲインの逆数としておくことにより電流出力ゲインが１を越える周波数領域においても、本来の指令値の範囲に抑えることが可能となる。
【００３４】
上記実施の形態は、電力系統周波数の１周期毎の負荷電流波形が変わらない場合の例であるが、１周期毎の波形が異なり、ｎ周期毎の波形が変わらない場合は、リングバッファ１８，１９をｎ周期の波形が記憶できるようにしておき、（ｎ−α）周期過去のデータを用いるようにする（図４）。
【００３５】
また、ｎの値をｎ＝１，２，３，…と設定可能のようにリングバッファを十分長くしておき、ｎの値についてフィードフォワードの効果を常に計算して効果が最大となるｎを選択するという制御も可能である。その場合、補償電流検出系が補償電流を書き込む際に、それぞれのｎの値についてのｎ周期前の電流との違いの絶対値を検出し、ローパスフイルタをかけた値を評価して行う。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は、上述のとおり構成されているので、以下に記載する効果を奏する。（１）補償対象の高調波電流波形がほとんど変化しない場合、補償電流検出系がフィードフォワード的に動作するようになるため、通常の制御では補償できない高い周波数成分の高調波電流を制御することができるようになる。
【００３７】
（２）この結果、制御系のサンプリング周期を変更することなく補償次数を高めたり、従来と同等の補償次数を保った上でサンプリング周波数を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例にかかるアクティブフイルタの制御ブロック図。
【図２】リングバッファの構成説明図。
【図３】電流出力ゲインの調整説明図。
【図４】補償対象電流が電力系統周波数と異なる場合の対策説明図。
【図５】補償すべき負荷電流の特徴説明図。
【図６】アクティブフイルタの接続図。
【図７】アクティブフイルタが無い場合の電流説明図。
【図８】従来例にかかるアクティブフイルタの制御ブロック図。
【符号の説明】
１…アクティブフイルタ（ＡＦ）
２…半導体電力変換器
３…制御装置
１１…座標変換系
１２，１３…ハイパスフイルタ
１４…半導体変換器直流側電圧制御系
１６，１７…電流出力ゲイン調整用アンプ
１８，１９…リングバッファ
２１…座標変換系
２２，２３…瞬時電流制御系
２４…座標変換系
２５…ＰＷＭ電圧制御系
ＣＴ１，ＣＴ_L…電流センサ
ＥＳ…電源
Ｆ１…フイルタ
ＦＬ…上位リアクタンス
Ｌ…負荷
ＰＳ…電力系統

Claims (4)

1. 電力系統の検出された負荷電流を座標変換系に入力してｄ，ｑ軸負荷電流に変換し、このｄ，ｑ軸負荷電流をそれぞれハイパスフィルタに通すことで各軸の高調波電流を抽出して補償すべき電流指令値とし、この電流指令値と、半導体電力変換器の出力電流との偏差がなくなるようこの半導体電力変換器を制御するアクティブフイルタにおいて、
   前記ｄ，ｑ軸負荷電流の電流指令値をそれぞれリングバッファに入力し、各リングバッファに読み書きする電流データを電力系統の周波数と同期した回転座標上の値で、且つ補償対象となるα周期位相を進めたポインタの電流指令値として（ｎ−α）周期過去のデータを利用することを特徴としたアクティブフイルタ。
   （ただし、ｎは補償すべき電流波形の周期に応じた電力系統周波数で、２以上の自然数、αは制御系統の無駄時間に応じて決定され、１＞α＞０の範囲の定数）
2. 前記ｎの値を変えるようにしたことを特徴とする請求項１記載のアクティブフイルタ。
3. 前記リングバッファへの電流指令値の書き込みは、過去のデータとの比較を行って判断基準となるデータを作成し、それに応じて前記ｎの値を変更することを特徴とする請求項１又は２記載のアクティブフイルタ。
4. 電力変換器の電流制御系で電流出力ゲインが１を越える周波数領域が存在する場合に、予め最大電流ゲインで補償電流検出値を割っておき、本来の補償電流指令値を超える電流を流さないようにしたことを特徴とした請求項１乃至３の何れかであるアクティブフイルタ。

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